智舌传感器阵列漂移现象及校正技术研究

摘要

随着生产过程中各环节自动化程度的提高，食品工业越来越需要一种客观、快捷、无损的方法来评估食品品质信息。近年来快速发展起来用于定性定量分析检测的现代化仪器电子舌，具有无损、实时、快速等特点，非常适合在食品工业质量安全与品质控制中应用。智舌是基于隋性金属电极构成稳定的传感器阵列(铂、金、钯、钨、钛、银)，通过伏安电化学脉冲技术激发实现原创的组合脉冲驰豫谱思想，经交互感应解析技术获取测量对象的整体信息，快速、实时、在线实现对产品的整体特征评价及若干成份定性定量的快速检测与分析的电子舌。智舌在对不同产地、品种的饮料和酒类等复杂体系的区分辨识中表现出良好的应用效果。 传感器阵列对溶液进行检测时，电极会随检测时间的变化而产生漂移，这是所有能用到电极仪器的共同缺陷，也是电子舌亟待解决的问题。传感器阵列的漂移，不仅影响测量结果的准确性和精度，同时也使智舌在工业生产中的长期应用受到一定限制。本文针对智舌系统的特点，通过对基本味觉物质、电解质、酒类等漂移规律的探索，建立并优化了适合于智舌系统的漂移校正方法，同时结合实例对相应方法进行了验证。 (1)智舌传感器阵列漂移现象研究。 通过对基本味觉物质的长期漂移现象与猕猴桃果汁的短期漂移现象进行研究，发现随检测时间变化智舌传感器阵列存在漂移，多数电极漂移呈线性，同时建立了漂移校正的数据处理方法。 (2)传感器阵列电化学清洗系统的设计与优化。 基于智舌脉冲伏安法原理，设计了传感器阵列的脉冲电化学清洗方案。通过采用伊利纯牛奶、康师傅冰红茶、蒙牛酸牛奶等钝化电极表面，结合面中心的中心复合设计(CCF)与偏最小二乘法回归优化脉冲电化学清洗时间与电压，得到铂、金、钯、钨电极最佳电化学清洗时间与电压分别为：1.35V，4.40s；1.73V，4.80s；0.90V，4.3s；0.57V，4.40s。后续的验证及稳定实验证明，上述结果增加了智舌系统的稳定性，减少了智舌传感器阵列的漂移。 (3)传感器阵列漂移校正算法的建立。 在智舌传感器阵列的漂移校正算法中，考察了成分校正、相加校正两种校正方法对酸味、咸味物质长期及茶饮料短期的漂移校正效果，得到酸味物质在银电极100Hz、1 Hz，咸味物质在钯电极100Hz、1Hz，茶饮料在铂电极100Hz、1 Hz，钨电极10Hz、1 Hz，银电极10Hz、1Hz频率段，成分校正、相加校正与主成分分析校正效果依次递减。表明成分校正算法更适合于减小智舌传感器阵列的线性漂移，且不同电极不同频率段对漂移校正的效果不同。 (4)白酒参比样品选择方案的建立。 以模拟酒样、56％乙醇溶液、1 mmol/L亚铁氰化钾溶液、混合酒及尖庄白酒作为白酒的参比样品，对铂电极100Hz及1Hz、金电极100Hz、银电极1 Hz频率段的成分校正结果及原始主成分结果进行比较，得出以混合酒样作为参比样品时，漂移校正效果与区分效果(d>3)均最佳，并且直观图与统计结果相一致。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引言

1.1电子舌简介

1.1.1电子舌概念及特点

1.1.2电子舌结构

1.1.3电子舌原理

1.1.4电子舌在国内外的研究发展状况

1.2模式识别的基本理论

1.2.1主成分分析

1.2.2偏最小二乘法回归

1.2.3簇类的独立软模式

1.2.4判别函数分析

1.2.5人工神经网络

1.3电子舌漂移校正方法及其在国外的研究进展

1.3.1电子舌硬件的部分改进

1.3.2数学校正算法

1.3.3参比样品校正

1.4课题研究内容及意义

1.4.1选题背景及意义

1.4.2研究目标及内容

1.4.3研究整体技术路线

第2章智舌传感器阵列漂移现象研究

2.1实验仪器及材料

2.1.1主要试剂

2.1.2实验仪器

2.2实验方法

2.2.1电极处理方法

2.2.2样品的检测方法

2.3多频脉冲电位扫描模式

2.4数据处理方法

2.5结果与分析

2.5.1智舌传感器阵列短期稳定性研究

2.5.2智舌传感器阵列长期稳定性研究

2.6结论

第3章 智舌传感器阵列电化学清洗技术研究

3.1实验仪器及材料

3.1.1主要样品与试剂

3.1.2实验仪器

3.2实验方法

3.2.1电极的处理方法

3.2.2样品的检测方法

3.3多电位阶跃的扫描模式

3.4数据处理方法

3.4.1实验设计

3.4.2偏最小二乘法回归分析

3.5电化学清洗的优化结果与分析

3.5.1选择不同样品研究传感器阵列的漂移

3.5.2验证及稳定性实验

3.6结论

第4章传感器阵列漂移校正算法研究

4.1实验仪器及材料

4.1.1主要样品与试剂

4.1.2实验仪器

4.2实验方法

4.2.1电极处理方法

4.2.2样品的检测方法

4.3多频脉冲电位扫描模式

4.4数据处理方法

4.4.1成分校正

4.4.2相加校正

4.5结果与分析

4.5.1基本味觉物质长期漂移校正研究

4.5.2茶饮料短期漂移校正研究

4.6总结

第5章 白酒参比样品校正技术研究

5.1实验仪器及材料

5.1.1主要样品与试剂

5.1.2实验仪器

5.2实验方法

5.2.1电极处理方法

5.2.2样品的检测方法

5.3多频脉冲电位扫描模式

5.4数据处理方法

5.5结果与分析

5.5.1铂100 Hz不同参比样品的校正结果

5.5.2铂1Hz不同参比样品的校正结果

5.5.3金100Hz不同参比样品的校正结果

5.5.4银1Hz不同参比样品的校正结果

5.6总结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致 谢